Bezpieczeństwo Instalacji Słonecznych: Przyczyny i Zapobieganie Pożarom Fotowoltaiki oraz Magazynów Energii

Współczesne technologie energetyczne, takie jak instalacje fotowoltaiczne (PV) i kolektory słoneczne, zyskują na popularności jako odnawialne źródła energii. Coraz częściej widujemy panele fotowoltaiczne na dachach domów jednorodzinnych, co znacząco zmniejsza miesięczne rachunki za prąd. Jednak wraz ze wzrostem ich liczby, pojawiają się pytania dotyczące potencjalnych zagrożeń, zwłaszcza ryzyka pożaru. Ten artykuł ma na celu omówienie przyczyn pożarów związanych z instalacjami solarnymi, przedstawienie statystyk oraz wskazanie sposobów zapobiegania takim zdarzeniom, a także wyzwań dla służb ratowniczych.

Rozróżnienie: Kolektory Słoneczne a Instalacje Fotowoltaiczne

Zanim przejdziemy do szczegółowej analizy zagrożeń pożarowych, warto rozróżnić dwa główne typy instalacji wykorzystujących energię słoneczną:

Kolektory Słoneczne

Kolektory słoneczne to urządzenia służące do absorbowania ciepła promieniowania słonecznego, które następnie jest odprowadzane za pomocą czynnika roboczego (najczęściej glikolu) do zbiornika z wodą, umieszczonego zazwyczaj w kotłowni. Kolektor słoneczny składa się z absorbera wykonanego z blachy miedzianej, pokrytej warstwą selektywną, do której przylutowane są miedziane rurki, w których krąży glikol. Element ten jest zabudowywany w obudowie metalowej, przykrytej płytą szklaną. Coraz częściej spotyka się również kolektory słoneczne próżniowe/rurowe, w których absorber jest podzielony na kilkanaście lub kilkadziesiąt elementów zamkniętych wewnątrz szklanych rur.

Zagrożenia ze strony kolektorów słonecznych są mniejsze i sprowadzają się głównie do możliwości wydostania się gorącego glikolu (o temperaturze nawet +120°C) pod ciśnieniem w przypadku ich uszkodzenia. To samo może się zdarzyć w przypadku uszkodzenia rurociągu łączącego kolektory ze zbiornikiem.

Moduły Fotowoltaiczne (Panele PV)

Moduły fotowoltaiczne (nazywane również bateriami słonecznymi lub panelami słonecznymi) to urządzenia służące do przemiany światła słonecznego bezpośrednio na energię elektryczną. Składają się z kilkudziesięciu ogniw fotowoltaicznych (płytek krzemowych poddanych odpowiedniej obróbce fizykochemicznej, które są w stanie przemieniać światło słoneczne na energię elektryczną). Płytki te są zalaminowane pomiędzy warstwą szkła a warstwą miękkiego laminatu. Spotyka się również moduły, w których ogniwa są naniesione na szybę techniką napylania, przez co niewidoczne są odstępy między poszczególnymi ogniwami.

Moduły fotowoltaiczne generują napięcie stałe (DC) w chwili, gdy pada na nie światło. Pojedynczy panel, w zależności od mocy, wytwarza około 30-45V napięcia stałego. W przypadku instalacji domowej, gdzie panele są połączone szeregowo, napięcie w instalacji może osiągać nawet do 1100V.

Przyczyny Pożarów Instalacji Fotowoltaicznych

Kwestia pożarów instalacji fotowoltaicznych staje się coraz bardziej paląca. Tomasz Karwat, ekspert Stowarzyszenia Elektryków Polskich, ostrzega, że nieprawidłowy montaż instalacji fotowoltaicznej wiąże się z większym ryzykiem pożarowym. Jest to najczęstsza przyczyna powstawania pożaru. Duża część zdarzeń związana jest ze słabą jakością montażu, czyli instalacja fotowoltaiczna była wykonywana przez słabo wykwalifikowanych techników.

Wśród najczęstszych przyczyn pożarów paneli PV wymienia się:

• Niska jakość montażu: Zdarza się, że instalacje są wykonywane bez projektu technicznego lub przez niewykwalifikowanych pracowników, co zwiększa ryzyko błędów przy montażu. Jak zauważa Tomasz Karwat, biegły sądowy i przewodniczący Komisji Kwalifikacyjnej SEP, jeżeli wykonawca realizuje instalację fotowoltaiczną i duża część prac wykonawczych jest pozostawiona do jego oceny z uwagi na brak projektu, to potem ten brak jakości się mści. "Każda instalacja elektryczna, która jest źle wykonana, sama się diagnozuje pożarem, tylko trzeba poczekać" - uważa ekspert.
• Błędy projektanta: Niewłaściwy dobór komponentów do budowy instalacji (np. przekrój przewodów, niewłaściwe przewody dla instalacji PV).
• Niska jakość komponentów: Panele fotowoltaiczne mogą ulec zapaleniu, jeśli są słabej jakości, a także wówczas, gdy niewłaściwie dobrano zabezpieczenia elektryczne całego systemu.
• Zwarcie w instalacji: Może nastąpić zarówno w panelach, jak i w okablowaniu.
• Awaria urządzenia: Usterki falownika, optymalizatorów czy innych elementów systemu.
• Łuk elektryczny: Jest to główne źródło ognia i przyczyna powstawania pożarów instalacji fotowoltaicznych. Powstaje on w miejscu przerwania obwodu elektrycznego po stronie prądu stałego. Łuk elektryczny to ciągłe wyładowanie elektryczne, zazwyczaj w gazie, pod ciśnieniem atmosferycznym. W obszarze łuku elektrycznego gaz jest silnie zjonizowany, stanowiąc plazmę, której temperatura może osiągać 5000-6000 K. Kiedy powstaje łuk elektryczny, mamy ogień i wysoką temperaturę.
  • Przyczyny łuku elektrycznego:
    • Błędy instalatorów, którzy używają niewłaściwych narzędzi do zaciskania końcówek przewodów lub robią to niedbale, w pośpiechu.
    • Przewody i ich połączenia leżące na dachu, niepodpięte do konstrukcji nośnej paneli, co może prowadzić do przetarć lub wyrwania złączy.
    • Niska jakość lub niewłaściwe połączenie złączek MC4, które są jedną z głównych przyczyn powstawania łuku elektrycznego. Złączki MC4 powinny być wysokiej jakości, poprawnie połączone, solidnie zamocowane na kablu solarnym i najlepiej, aby wszystkie były od jednego producenta, aby uniknąć problemów z niekompatybilnością chemiczną lub różną rozszerzalnością cieplną, prowadzącą do wnikania wody i korozji.
• Czynniki zewnętrzne: Np. uderzenie pioruna, uszkodzenia mechaniczne na skutek gradu.
• Brak regularnych przeglądów: Starsze instalacje wymagają rewizji, która, szczególnie w przypadku budynków jednorodzinnych, jest dosyć trudna.
• Nieumiejętne rozłączanie instalacji.

Wymogi Prawne i Projektowe

W świetle art. 5 ustawy Prawo budowlane, poszczególne części budynku, wraz ze związanymi z nim urządzeniami budowlanymi, należy projektować i budować w sposób określony w przepisach, w tym techniczno-budowlanych, a także zgodnie z zasadami wiedzy technicznej, biorąc pod uwagę przewidywany okres użytkowania. Jednym z obowiązków jest spełnienie podstawowych wymagań dotyczących obiektów budowlanych.

Instalacja urządzeń fotowoltaicznych o mocy zainstalowanej nie większej niż 150 kW nie wymaga decyzji o pozwoleniu na budowę, ale wymaga zgłoszenia zgodnie z art. 28 ustawy Prawo budowlane. Ponadto, do urządzeń o mocy zainstalowanej większej niż 6,5 kW stosuje się obowiązek uzgodnienia z rzeczoznawcą do spraw zabezpieczeń przeciwpożarowych pod względem zgodności z wymaganiami ochrony przeciwpożarowej projektu tych urządzeń oraz zawiadomienia organów Państwowej Straży Pożarnej. Zawiadomienie o montażu instalacji fotowoltaicznej należy do obowiązku inwestora lub wykonawcy.

Istnieje jednak luka w ustawie Prawo budowlane - brakuje wytycznych dotyczących szczegółowego wyglądu projektu technicznego, dokumentacji wykonawczej i powykonawczej. Zdefiniowanie, co jest wymagane z punktu widzenia legislacji, aby móc przystąpić do realizacji budowy generatora fotowoltaicznego na dachu budynku, powinno rozwiązać wiele problemów.

Statystyki Pożarów Instalacji Fotowoltaicznych

Pożary instalacji fotowoltaicznych nie zdarzają się w Polsce zbyt często. Według danych Komendy Głównej Państwowej Straży Pożarnej, od 2018 do 2021 roku w bazie danych PSP pojawiło się 308 incydentów pożarowych, w których brała udział fotowoltaika. W porównaniu do ogólnej liczby pożarów (w 2019 roku było to 153 520 pożarów w całym kraju, w tym 31 994 w obiektach mieszkalnych), odsetek ten jest niewielki.

Punktem odniesienia w kwestii ryzyka pożaru instalacji fotowoltaicznej mogą być badania prowadzone przez niezależne instytuty badawcze. Według niemieckiego TÜV Rheinland oraz brytyjskiego BRE National Solar Centre, ilość pożarów wywołanych przez instalacje fotowoltaiczne stanowi w stosunku do wszystkich pożarów promil. Analizując dane z Niemiec, gdzie instalacji fotowoltaicznych jest bardzo dużo, okazało się, że tylko 0,006% wszystkich instalacji wywołało pożary, które spowodowały poważne szkody materialne.

Należy jednak pamiętać, że liczba instalacji rośnie, a same panele z roku na rok się starzeją. Brakuje też kompleksowych badań pokazujących, jak zachowują się instalacje PV w realnych warunkach pożarowych.

Dynamika Rozprzestrzeniania się Ognia - Wyniki Testów

W celu zrozumienia, jak dochodzi do pożarów fotowoltaiki i jak im przeciwdziałać, na jednym z poligonów w Polsce przeprowadzono specjalne testy. Zbudowano model magazynu o powierzchni 250 metrów kwadratowych, wyposażony w 36 paneli PV na dachu. Instalacje zamontowano zgodnie z instrukcją producenta, a panele działały i produkowały prąd. W testach wykorzystano dwa rodzaje izolacji dachów: z wełny mineralnej i płyt PIR.

Szymon Pergał z PZU Lab relacjonował: "Mogliśmy zaobserwować, w jaki sposób rozchodzi się zarówno płomień, jak i temperatura, w jaki sposób energia cieplna przenika przez cały przekrój dachowy. Na blasze trapezowej widać wyraźne przebarwienia, które pokazują, jak silne było oddziaływanie ognia." Eksperci zauważyli również, że największy wpływ na kierunek rozchodzenia się płomienia miał wiatr - obserwowano klasyczny efekt kominowy, który rozprzestrzeniał ogień bardziej niż same moduły fotowoltaiczne. Zmienne warunki atmosferyczne dały fantastyczną okazję do weryfikacji wpływu wiatru na propagację pożaru. Patrząc na stopień rozprzestrzeniania się ognia, widzimy, że szalenie istotne znaczenie ma sama konstrukcja fotowoltaiczna. Poprawnie dobrana, ogranicza rozwój pożaru.

Testy te pozwolą ocenić wpływ rodzaju izolacji, sposobu montażu czy ułożenia przewodów na dynamikę pożaru.

Wyzwania dla Służb Ratowniczych

Obecność instalacji fotowoltaicznej na dachu wpływa na organizację akcji gaśniczej. Po przyjeździe na miejsce pożaru, strażacy dokonują rozpoznania. Jedną z pierwszych czynności jest odłączenie dopływu prądu do instalacji elektrycznej. Ogranicza to ryzyko dla strażaków, gdyż najczęściej używanym środkiem gaśniczym jest woda, która przewodzi prąd.

Niestety, pomimo odłączenia falownika od sieci elektroenergetycznej, panele nadal generują napięcie. Moduły fotowoltaiczne, kiedy są oświetlone (nawet światłem sztucznym, np. halogenów w nocy), osiągają prawie pełną wartość nominalną napięcia. Uszkodzenie kabli na skutek pożaru może powodować tworzenie nowych i niespodziewanych dróg obwodu elektrycznego i stanowi zagrożenie dla ewakuujących się ludzi oraz strażaków. W przypadku instalacji domowej, napięcie w instalacji może osiągać do 1100V. Moduły fotowoltaiczne są trudno zapalne, a zatem nie przyczyniają się do rozprzestrzeniania ognia, ale ich obecność znacząco komplikuje działania gaśnicze.

Rozwiązaniem mogłoby być pokrycie modułów pianą, tak by światło słoneczne nie miało dostępu do powierzchni modułów. Bez światła, moduły stają się elementem pasywnym. Co do gaszenia wodą, każdy strażak wie, że instalacje fotowoltaiczne, podobnie jak każde inne urządzenie elektryczne pod napięciem do 400 V, można gasić wodą. Możliwość gaszenia urządzeń będących pod napięciem prądem wody wynika ze zjawiska rozpadu ciągłej strugi cieczy spowodowanej turbulencją, w wyniku czego strumień wody przechodzi przez strefę rozpadu do strefy kropel. Długości poszczególnych stref zależą przede wszystkim od prędkości strugi, geometrii otworu wylotowego z prądownicy oraz fizycznych właściwości cieczy. Strażacy mają wystarczającą wiedzę i kompetencje i potrafią gasić urządzenia elektryczne pod napięciem. Ostateczna decyzja należy zawsze do kierującego akcją ratowniczą.

Zapobieganie Pożarom i Zwiększanie Bezpieczeństwa Instalacji PV

Aby zminimalizować ryzyko pożaru, kluczowe jest podjęcie odpowiednich środków zapobiegawczych na każdym etapie - od projektu, przez montaż, po eksploatację:

1. Prawidłowy projekt i montaż: Instalacja przygotowana „w bardzo atrakcyjnej cenie” lub „po kosztach” stanowi zagrożenie. Zastosowanie niewłaściwych szybkozłączek, niepoprawne poprowadzenie przewodów, stosowanie niskiej jakości materiałów czy też korzystanie z usług firm bez doświadczenia, może prowadzić do powstania pożaru. Ważny jest odpowiedni dobór komponentów do budowy instalacji (przekrój przewodów, typ przewodów) oraz dbałość o jakość połączeń. Instalacja fotowoltaiczna zainstalowana na budynku powinna być uziemiona.
2. Odpowiednie zabezpieczenia elektryczne: Instalacja fotowoltaiczna powinna posiadać odpowiednio dobrane zabezpieczenia, nie tylko po stronie prądu zmiennego, ale również w części, gdzie płynie prąd stały (od paneli do falownika). Tam bowiem mamy do czynienia z wysokim napięciem, a co z tym związane, z ryzykiem porażenia prądem. Wybór elementów systemu zabezpieczenia następuje na etapie przygotowania jej projektu. Stosowane są zabezpieczenia nadprądowe (wyłączniki, bezpieczniki), rozłączniki oraz ograniczniki przepięć. Ich rolą jest zabezpieczenie instalacji w przypadku uszkodzenia, umożliwiają też prowadzenie prac serwisowych, a podczas akcji gaśniczej ograniczają ryzyko porażenia prądem strażaków.
3. Funkcja AFCI w falownikach: Sprawdzić, czy zainstalowany falownik ma zabezpieczenie wykrywające łuk elektryczny i odłączające zasilanie po stronie DC, kiedy takie zjawisko się pojawi. Wtedy łuk elektryczny gaśnie i nie dochodzi do pożaru. Wysokiej jakości inwertery przed uruchomieniem sprawdzają, czy instalacja jest sprawna i nie ma w niej słabej jakości połączeń. Jeśli inwerter wykryje przerwany przewód lub złączkę, powinien się wyłączyć, zgłosić błąd i nie uruchamiać się do momentu usunięcia usterki. Funkcja ta nazywa się AFCI (Arc Fault Circuit Interrupter) i znacząco zwiększa bezpieczeństwo.
4. Dokumentacja techniczna: Od wykonawcy instalacji fotowoltaicznej należy zażądać dokumentacji zawierającej podstawowe informacje na temat systemu fotowoltaicznego - schemat połączeń, rozmieszczenie poszczególnych elementów i kabli. Dokumentacja taka będzie cenną wskazówką dla strażaków w przypadku powstania pożaru.
5. Gaśnica proszkowa: Posiadaczom instalacji fotowoltaicznej zaleca się również zakup gaśnicy proszkowej zawierającej co najmniej 4 kg proszku gaśniczego. Proszek gaśniczy umożliwia bezpieczne gaszenie instalacji elektrycznych z odległości co najmniej 1 m. Gaśnica ta powinna znaleźć się obok falownika i urządzenia zabezpieczającego instalację.
6. Informacje dla służb ratowniczych: Idealnie by było, gdyby na budynku, przy liczniku i przy głównym wyłączniku zasilania była informacja o zamontowanej instalacji fotowoltaicznej. W Europie Zachodniej i USA stosuje się naklejki informujące, że dany budynek wyposażony jest w alternatywne źródło zasilania. Ważne jest także, aby każdy z domowników wiedział, gdzie jest główny wyłącznik prądu, gdzie znajdują się bezpieczniki obwodów elektrycznych, inwerter i skrzynka z zabezpieczeniami dla instalacji fotowoltaicznej.
7. Ubezpieczenie: W przypadku każdego posiadacza domu jednorodzinnego należy oczywiście rozważyć zakup ubezpieczenia obejmującego m.in. ryzyko wystąpienia pożaru.

Poprawnie zaprojektowana i zamontowana instalacja fotowoltaiczna jest bezpieczna. Dodatkowo, odpowiednio dobrane komponenty instalacji mogą zabezpieczać dom przed pożarem.

Zagrożenia Związane z Magazynami Energii (Akumulatory Litowo-Jonowe)

Magazyny energii, zwłaszcza oparte na akumulatorach litowo-jonowych, odgrywają coraz większą rolę w systemach energetyki odnawialnej. Ich wysoka wydajność i gęstość energetyczna czynią je niezwykle atrakcyjnym rozwiązaniem, ale wiąże się to również z pewnymi zagrożeniami. Ryzyko zapłonu i eksplozji takich baterii jest wysokie, podobnie jak reaktywność litu. Elektrolit wykorzystywany w tych akumulatorach zawiera sole litu, który jest pierwiastkiem niezwykle łatwopalnym i gwałtownie reagującym z wodą.

Ucieczka Termiczna (Thermal Runaway)

Największym zagrożeniem, jednocześnie trudnym do wykrycia, jest tzw. ucieczka termiczna (ang. thermal runaway). Zjawisko to polega na reakcji łańcuchowej, która produkuje ogromne ilości ciepła. Może spowodować wzrost temperatury wewnątrz ogniwa nawet do 700°C w krótkim czasie. Nie jest to proces spalania, więc do zajścia nie potrzebuje tlenu i może trwać nawet podczas całkowitego zanurzenia pod wodą. Do zainicjowania ucieczki termicznej wystarczy często drobna wada konstrukcyjna lub niewielki wzrost temperatury otoczenia. Ten proces jest niemożliwy do zatrzymania, kiedy już wystąpi, a do tego powoduje wydzielanie łatwopalnych gazów. Niemal jedną trzecią powstających w tym procesie substancji stanowi wodór, który bynajmniej nie jest jedynym gazem mogącym zapłonąć. W połączeniu z wysoką temperaturą może to łatwo doprowadzić do pożaru lub eksplozji.

Trudności w Gaszeniu Magazynów Energii

Jeśli już taki pożar magazynu energii ma miejsce, ugaszenie go jest bardzo trudne. Ciągła produkcja ciepła i mieszanki wybuchowych gazów skutecznie podtrzymuje nawet aktywnie zwalczany płomień. Próba gaszenia wodą może jedynie pogorszyć sytuację, powodując gwałtowną reakcję z litem, podczas której wydziela się inna, skłonna do samozapłonu mieszanka gazów. Płonący magazyn litowo-jonowy emituje intensywne ciepło i może wielokrotnie zapalać się pomimo prób ugaszenia, co znacznie utrudnia akcję strażacką, tak jak miało to miejsce w przypadku pożaru w niemieckim Pfeddersheim.

Do gaszenia płonących ogniw litowo-jonowych zaprojektowano specjalne gaśnice z wodną dyspersją wermikulitu, która ma za zadanie powstrzymać dopływ tlenu do palącego się akumulatora. Nie jest ona jednak w stanie wpłynąć na trwającą równocześnie wewnątrz ucieczkę termiczną. Stale powstają zatem duże ilości palnych gazów i ciepła potrzebnego do ich zapłonu, co może powodować odnowienie pożaru. W takiej sytuacji jedyną opcją jest monitorowanie magazynu, aby zagrożenie nie rozprzestrzeniało się dalej. Takie zadanie mają montowane w kontenerach systemy gaszenia.

Zapobieganie Incydentom w Magazynach Energii

Ze względu na to, jak trudne do opanowania są skutki zapłonu, kluczowe jest niedopuszczenie do incydentu. Podstawowe działania zapobiegawcze obejmują:

• Rygorystyczne testy ogniw: Sprawdzanie ich zachowania nie tylko podczas standardowej pracy, ale też w przypadku poważnych uszkodzeń.
• Właściwe chłodzenie: Już na etapie projektowania magazynów pełnych akumulatorów należy zadbać o odpowiednie chłodzenie, zazwyczaj poprzez wymuszoną wentylację oraz dodatkowe metody.
• Monitorowanie temperatury: Temperatura ogniw powinna być stale monitorowana, aby móc zareagować zanim osiągnie niebezpieczny poziom.
• Detektory gazów: Kontener lub pomieszczenie, w którym znajdują się ogniwa, powinno być wyposażone w detektory gazów powstających podczas ich niewłaściwej pracy.
• Metody uwalniania ciśnienia: Cały obiekt powinien być wyposażony w panele dekompresyjne do odciążania wybuchu, co minimalizuje szkody. Każdy moduł powinien mieć możliwość wypuszczenia pary przez specjalne zawory bez rozsadzania go od środka. Wydostające się w ten sposób gazy, choć wybuchowe, mają szansę zostać jeszcze bezpiecznie usunięte.

Incydenty, takie jak pożary magazynów Megapack Tesli w Kalifornii czy Australii, jasno pokazują wagę odpowiedniego zabezpieczenia akumulatorowych magazynów energii.

tags: #pozar #kolektora #slonecznego